一种太阳能光伏发电与建筑遮阳一体化系统及调节方法与流程

本发明涉及建筑节能领域，特别是一种太阳能光伏发电与建筑遮阳一体化系统及调节方法。

背景技术：

经过数千万年的演变，人类最能适应的就是大自然的天然环境。人眼作为视觉器宫，最能适应的是天然光，再完美的人工光源也无法替代天然光。据统计，建筑在运行过程中照明能耗占总能耗的40%~50%。因此在建筑中充分利用自然光，可节省大量人工照明带来的电能消耗。

太阳能照明系统主要由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池、照明灯具组件及它们之间的电缆等几部分组成。工作原理是:在有自然光的时间段，太阳能电池组将采集到的太阳能转化为电能，在控制系统的控制下，采用太阳能光伏电池mppt方式，将电能储存到蓄电池组中，在照明系统需要电能供电时，采用pwm控制驱动方式，向照明光源提供安全高效的电压电流，使照明系统安全、稳定、高效并可靠地工作，为工作和生活提供洁净环保的绿色照明。

建筑遮阳是为了避免阳光直射，防止建筑物外围护结构被过分加热，而造成局部过热和眩光，及保护室内各物品的必要措施，其合理设计是改善夏季室内热舒适状况和降低建筑物能耗的重要因素。无论是透明的窗户部分，还是其他不透明的建筑围护结构，大部分太阳辐射都可通过而后进入室内，温室效应使房间温度迅速升高，造成夏季室内温度过高。现代建筑由于立面上广泛应用大面积玻璃，加上工业化到来的轻质结构的普遍使用，加剧了室内热物理环境的恶化，因此建筑遮阳在改善室内环境舒适度和建筑节能方面至关重要。

然而，目前太阳能光伏发电板常铺设于建筑外立面或屋顶，使得建筑遮阳与太阳能照明系统并未一体化，而建筑遮阳又需要重新考虑和设计。太阳能光伏发电板易产生光污染、影响建筑立面效果的同时，又被固定，只有某一高度角的太阳光线为最佳角度，大大影响了太阳能电池板的转换效率。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种光电转换率高，居住舒适度高，节能保温，成本低，安装简便的太阳能光伏发电与建筑遮阳一体化系统及调节方法。

本发明的技术方案是：

本发明之一种太阳能光伏发电与建筑遮阳一体化系统，包括一级太阳能发电单元和二级太阳能发电单元，所述一级太阳能发电单元与二级太阳能发电单元之间转动连接，最大转动角度为360°，使得二级太阳能发电单元的正反两面分别与一级太阳能发电单元的正反两面选择性贴合；所述一级太阳能发电单元沿窗体转动连接。

上述方案具有以下优点：（1）现有的太阳能发电单元都是一块整板，直接与窗体转动连接，而本发明通过将太阳能发电单元分成两部分，且一级太阳能发电单元和二级太阳能发电单元之间转动连接，根据自然光的光照强弱，不仅可灵活调节一级太阳能发电单元与窗体之间的角度，还可灵活调节一级太阳能发电单元和二级太阳能发电单元之间的角度，大幅度增加了太阳能光伏发电板的光电转换率，能适应不同季节和时段的需求，避免眩光的产生，有效维持室内光环境处于较为稳定舒适的状态，同时减少了建筑建设工程量与建筑遮阳的费用；（2）二级太阳能发电单元的正反两面分别与一级太阳能发电单元的正反两面选择性贴合，一方面可控制窗体采光的范围，如将全窗采光变为高侧窗采光；另一方面，通过贴合，可将二级太阳能发电单元收回，只采用一级太阳能发电单元进行发电，也可二级太阳能发电单元的反面朝向窗户，不进行发电。

本发明上述的贴合可以是一级太阳能发电单元和二级太阳能发电单元之间完全贴合，也可以是二者之间设有间隙，本发明对此不作具体限定。另外，本发明上述的一级太阳能发电单元与窗体转动连接可以是直接与窗体转动连接，也可以与窗体的周边转动连接。

进一步，所述二级太阳能发电单元包括二级太阳能发电板，所述二级太阳能发电板通过绝缘板连接反光板。当自然光强烈时，可将二级太阳能发电单元调节至正面（即二级太阳能发电板的那一面），与一级太阳能发电板一起发电；当光线较为柔和时，调节至反面（即反光板的那一面），将光线反射进室内，使自然光照射进室内的进深增大，提供室内环境舒适度，降低建筑能耗。

本发明中，只要能够起反光作用的材质都可以制成本申请的反光板，本申请对反光板的材质不作限定，本发明的反光板优选为铝制反光板，发射效果好，且成本较低。

进一步，所述一级太阳能发电单元包括一级太阳能发电板，所述一级太阳能发电板通过绝缘板连接保温板。这样，有利于减少建筑室内热量散失，实现建筑保温。

进一步，所述一级太阳能发电单元与二级太阳能发电单元之间的转动连接方式为：一级太阳能发电单元的顶部两侧和二级太阳能发电单元的底部两侧分别通过二级转轴和转瓦适配连接成一体。二级转轴包括第一转轴和第二转轴，转瓦包括第一转瓦和第二转瓦，这样，当第一转轴与相对应的第一转瓦连接后，二级太阳能发电单元可绕第一转轴转动；同理，当第二转轴与相对应的第二转瓦连接后，二级太阳能发电单元就可绕第二转轴转动。其中，第一转轴和第二转轴可设在同一个太阳能发电单元板体上，也可设在不同太阳能发电单元板体上（如第一转轴设在一级太阳能发电单元的板体顶部，第二转轴设在二级太阳能发电单元的板体底部），且第一转瓦与第一转轴相对设置，第二转瓦与第二转轴相对设置。

需要说明的是，本发明不对二级转轴和转瓦的位置作具体限定，只要二级太阳能发电单元能够绕一级太阳能发电单元转动，以及二级太阳能发电单元的正反两面能够分别与一级太阳能发电单元的正反两面贴合即可。

进一步，所述一级太阳能发电板通过一级转轴沿窗体转动；所述一级太阳能发电单元设于室内的窗体一侧。优选地，一级转轴连接动力装置，如电机，通过控制系统控制动力装置动作，进而带动一级转轴转动，来调节一级太阳能发电单元的转动角度。一级转轴最大旋转角为180°。将一级太阳能发电单元设于室内的窗体一侧，而不是建筑外立面，使得建筑遮阳与太阳能照明系统一体化，大大简化结构。

进一步，所述一级太阳能发电单元上设有第一光敏传感器，第一光敏传感器连接控制系统，控制系统根据第一光敏传感器的检测信息控制一级太阳能发电单元的转动角度。

可以理解的是，除了采用第一光敏传感器检测光照强度外，本发明还可以通过设置按钮或遥控器来控制一级太阳能发电单元的转动角度，本发明对此不作具体限定。

进一步，所述控制系统包括：

控制面板模块，用于根据第一光敏传感器，控制一级太阳能发电单元的转动角度；

第二光敏传感器，用于检测室外光照强弱，判断是否夜幕降临；

调光控制模块，用于根据第二光敏传感器的检测信息，控制室外太阳能照明系统的启闭；

太阳能蓄电池，用于储存多余电能。

上述方案不仅能够根据自然光的光照强弱，灵活调节一级太阳能发电单元的转动角度，还能转光能为电能提供夜间照明，以及为控制系统自身供电，大大节约电能，提高居住的舒适度。

可以理解的是，除了采用第二光敏传感器检测光照强度外，本发明还可以通过设置按钮或遥控器来控制室外太阳能照明系统，本发明对此不作具体限定。

优选地，所述控制系统设于室外窗体的上方，室外窗体的上方还设有室外照明太阳能灯具。

本发明优选将控制系统设于室外窗体的上方，便于第二光敏传感器检测室外光照强度；选用太阳能灯具，能够转光能为电能提供夜间照明，节约电能，降低成本。另外，控制系统集成于智能控制盒内。智能控制盒和太阳能灯具可以安装于顶棚上，也可以安装在室外其他位置，本发明对此不作具体限定。

本发明之另一种太阳能光伏发电与建筑遮阳一体化系统的调节方法，包括：

当自然光的光照强时，调节二级太阳能发电单元与一级太阳能发电单元之间的角度至最佳角度发电；

当自然光的光照弱时，将二级太阳能发电单元的正面与一级太阳能发电单元的正面贴合，使二级太阳能发电单元的反光板那一面朝向窗体，利用反光板的反射引导光线进入室内。

进一步，包括：

当自然光较强时，收缩二级太阳能发电单元，利用一级太阳能发电单元调节至最佳角度发电；

当自然光很强时，调节二级太阳能发电单元与一级太阳能发电单元呈直线水平，贴近窗户实现高效太阳能发电，窗户上方少量采光；

当室内外温差大时，将一级太阳能发电单元紧贴窗户，通过反面的保温板实现建筑保温。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过两级转轴调整两级太阳能发电单元，大幅度增加了太阳能发电板的光电转换率；除为系统自身供电外，太阳能蓄电池中的储存电能也为部分照明系统夜间供电，建筑节能提高10%~15%。

（2）本发明利用两级太阳能发电单元代替百叶等建筑遮阳，并能适应不同季节和时段的需求，避免眩光的产生，有效维持室内光环境处于较为稳定舒适的状态，同时减少了建筑建设工程量与建筑遮阳的费用，可节省建筑总费用的3%~5%。

（3）自然光通过二级太阳能发电单元的反光板的反射，由天花板照射进室内，增大了自然光进入室内的进深，室内照明在同等照度需求下，建筑节能提高5%~8%，同时延长灯具寿命1.2~1.5倍。

（4）本发明的一级太阳能发电单元的反面保温板在紧贴窗户时，能以最大有效面积减慢室内外能量交换，减少室内能量散失，建筑节能提高12%~18%。

因此本发明将突破传统太阳能光伏发电与建筑遮阳分离的设计理念，采用全新的设计方法与技术，使用集引入光线、反射光线、转光能为电能提供夜间照明、有利建筑保温于一体的太阳能发电与遮阳采光协同控制，使各资源均得到最大限度的利用，减少环境污染，大幅度降低建筑能耗，实现低成本、易安装，且具有操作简单、系统独立、安装便捷、应用领域广等诸多优点。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例的正面结构示意图；

图3是图1所示实施例的反面结构示意图；

图4是图2所示实施例的侧视图；

图5是本发明实施例智能控制盒的内部构造图；

图6是本发明实施例的工作效果图；

图7是本发明实施例的工作演示图。

附图标号：1.一级太阳能发电单元；2.二级太阳能发电单元；3.一级转轴；4.第一光敏传感器；5.智能控制盒；6.室外照明太阳能灯具；

11.一级太阳能发电板；12.保温板；13.一级绝缘粘接板；14.第一转轴；15.第二转轴；21.二级太阳能发电板；22.反光板；23.二级绝缘粘接板；24.第一转瓦；25.第二转瓦；51.调光控制模块；52.控制面板模块；53.第二光敏传感器；54.转换器；55.太阳能蓄电池。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1~图4所示：一种太阳能光伏发电与建筑遮阳一体化系统，包括一级太阳能发电单元1和二级太阳能发电单元2。

具体地，一级太阳能发电单元1包括一级太阳能发电板11和保温板12，一级太阳能发电板11通过一级绝缘粘接板13接板连接保温板12，一级太阳能发电板11作为一级太阳能发电单元1的正面，保温板12作为反面。保温板12优选为挤塑保温板。

二级太阳能发电单元2包括二级太阳能发电板21和反光板22，二级太阳能发电板21通过二级绝缘粘接板23连接反光板22，二级太阳能发电板21作为二级太阳能发电单元2的正面，反光板22作为反面。反光板22优选为铝制反光板。当自然光强烈时，可调节至正面，与一级太阳能发电板一起发电；当光线较为柔和时，调节至反面，将光线反射进室内，使自然光照射进室内的进深增大，提供室内环境舒适度，降低建筑能耗。

一级太阳能发电单元1的底部设有一级转轴3，一级转轴3固定在靠近窗体的墙面上，外接电机，电机连接控制系统，根据需求将一级太阳能发电板调节至不同角度，实现太阳能光伏发电板的最大光电转化率。

一级太阳能发电单元1的顶部设有两个二级转轴，即分别设于顶部两侧的第一转轴14和第二转轴15，例如第一转轴13设于靠近正面的那一侧，第二转轴14设于靠近反面的那一侧。二级太阳能发电单元2的底部设有两个分别与第一转轴和第二转轴位置相对的第一转瓦24和第二转瓦25。通过将第一转瓦24与第一转轴14适配连接（如卡合），二级太阳能发电单元可绕第一转轴转动，使得二级太阳能发电单元的正面能够与一级太阳能发电单元的正面贴合，使二级太阳能发电单元得反光板其作用。通过将第二转瓦15与第二转轴15适配连接，此时第一转瓦脱离第一转轴，二级太阳能发电单元可绕第二转轴转动，使得二级太阳能发电单元的反面能够与一级太阳能发电单元的反面贴合，只有一级太阳能发电单元的太阳能发电板起作用。

本实施例中，一级转轴的最大旋转角为180°，二级转轴的最大旋转角为360°。

本实施例中，一级太阳能发电单元1上设有第一光敏传感器4，用于检测自然光照的强弱。

如图5所示：本实施例中，控制系统集成于智能控制盒5内，包括调光控制模块51、控制面板模块52、第二光敏传感器53、转换器54和太阳能蓄电池55。根据第一光敏传感器4检测自然光，通过转换器54向控制面板模块52反馈结果，发送旋转指令。控制面板模块52接收到指令后，控制电机带动一级转轴3旋转，实现一级太阳能发电单元上的角度调节。第二光敏传感器53检测到夜幕降临后，启动调光控制模块51，自动开启室外太阳能照明系统。其内部的太阳能蓄电池55将多余电能储存其中，为控制系统自身供电。本实施例的控制系统可通过导线或无线模块与各器件连接。

如图6所示：智能控制盒5设于室外顶棚上，室外顶棚上还设有室外照明太阳能灯具6，用于夜间照明。而一级太阳能发电单元1固定于室内窗体高度处。系统相对独立，安装方便快捷。

如图7所示：在不同自然光环境下，针对不同功能和需求，两级太阳能发电单元的使用方式不尽相同。

高效太阳能发电模式：天气晴朗的夏季，光线较强，太阳高度角较大。中午时，光线1进入室内，由于自然光强烈，旋转一级太阳能发电单元150°，使一级太阳能发电板靠近窗户。同时手动调节二级转轴，使二级太阳能发电板与一级太阳能发电板成直线水平，进入高效太阳能发电模式，一、二级太阳能发电板同时工作，进行发电，多余电量储存于智能控制盒中的太阳能蓄电池中。窗户上方采光，由全窗采光变为高侧窗采光，减弱自然光，避免眩光。

太阳能发电模式：上、下午时，光线2较光线1弱，太阳高度角稍小。旋转一级太阳能发电单元105°，使一级太阳能发电板至最佳光电转换角度。将二级转轴的第二转轴和第二转瓦连接，断开第一转轴和第一转瓦，收缩二级太阳能发电单元，使二级太阳能发电单元的反面与一级太阳能发电单元的反面贴合，以在一级太阳能发电板工作的同时，为室内引入大量自然光，进入太阳能发电模式。

春、秋季节，光线强度与光线2相差不多，太阳高度角较小。中午时，光线3会造成轻微眩光，旋转一级太阳能发电单元120°，进入太阳能发电模式。收缩二级太阳能发电单元，减少系统对室内采光的影响。

反射引导光线模式：上、下午时，光线4相对柔和，考虑引入更多自然光进入室内，增大自然光照射面积。手动调整二级转轴，使得二级转轴的第一转轴和第一转瓦连接，断开第二转轴和第二转瓦，向上收缩二级太阳能发电单元，使二级太阳能发电单元的正面与一级太阳能发电单元的正面贴合，二级太阳能发电单元反面的反光板工作。随后调整一级太阳能发电单元120°，使一级太阳能发电板与墙面和窗户垂直。光线透过窗户，由反光板反射至天花板进行二级反射，进入反射引导光线模式。

冬季光线的太阳高度角较小。中午时，为引进更多自然光，使用反射引导光线模式。收缩二级太阳能发电单元，使二级太阳能发电单元反面的反光板朝上，旋转一级太阳能发电单元至90°，使光线5二次反射进入室内。

高效太阳能发电＋建筑保温模式：上、下午时，因考虑到气温较低，选用建筑保温与高效太阳能发电两种模式。旋转一级太阳能发电单元180°，使一级太阳能发电板紧贴窗户。而后调节二级太阳能发电单元，往回旋转30°，两级太阳能发电板共同工作。因二级太阳能发电板与窗户成角度，窗户上方光线6进入室内。同时，一级太阳能发电板由于紧贴窗户，反面的保温板使窗户增加了一个保温层，能实现建筑保温。

不工作模式：阴雨天时，自然光线弱，收缩两级太阳能发电单元，使之自然下垂，与墙面水平贴合。启动智能控制盒中的太阳能蓄电池，开启室外太阳能照明系统，为其供电。

综上所述，本发明可针对不同季节不同时段，太阳方位和太阳高度角的不同，使太阳能发电单元能通过两级转轴旋转调节到最佳位置，尽可能提高太阳能发电板的光电转换效率，充分利用太阳能，降低建筑能耗。该设计通过一级转轴将一级太阳能发电单元旋转调节至最佳角度，再利用二级转轴调整连接的二级太阳能发电单元，实现太阳能发电、高效太阳能发电、反射引导光线、建筑保温四种模式。当自然光较为强烈时，二级太阳能发电单元收缩，第一光敏传感器通过转换器传输信息至智能控制盒中的面板控制模块，反馈结果至一级转轴，将一级太阳能发电板调节至最佳角度发电；当自然光非常强烈时，手动调节二级转轴使两级板呈一条直线水平，紧贴窗户实现高效太阳能发电，起到建筑遮阳的作用，并通过系统反面的保温板降低室内受建筑围护结构热传导的影响，窗户上方仍进行少量采光；当自然光柔和时，为增大光线照射入室内的进深，尽可能增大自然光照射面，调整二级转轴，将二级太阳能发电单元的正面与一级太阳能发电单元的正面贴合，利用二级太阳能发电单元反面的反光板反射自然光，再由天花板反射光线进入室内；当室内外温差较大时，将一级太阳能发电单元紧贴窗户，其反面的保温板有利于减少建筑室内能量散失，实现建筑保温。同时正面一级太阳能发电板进行发电，二级板可收缩以引入部分自然光，或调整角度，同时进行发电。智能控制盒中的太阳能蓄电池储存多余电能，除为系统自身供电外，也为部分照明系统夜间照明供电。

综合来看，该调控系统使太阳能利用率提高40%~50%，建筑节能提高20%~35%。